無刷直流電機無位置傳感器初始位置估算

李明

（上海交通大學 上海市 200030）

無刷直流電機無位置傳感器初始位置估算

李明

（上海交通大學 上海市 200030）

無刷直流電機大多以霍爾元件、光電碼盤等位置檢測元件作為位置傳感器，但當制作小電機時，位置傳感器的弊端就很明顯。對直流電機的控制還可以通過檢測電機的磁鏈、電流和電壓等物理量，再經過相應的處理間接地求得電機的轉子位置，如此可以使得無刷電機的結構更加簡單，可靠性進一步提高。

無刷直流電機；位置傳感器

引言

無位置傳感器無刷直流電機轉子位置檢測大多采用反電動勢法，但是當電機零速時反電動勢法就很難檢測到轉子位置，使電機啟動變得困難。我們常根據定子線圈電感磁飽和效應，當定子線圈的磁場與轉子磁場方向相同或不同時，電子磁阻、電感量、定子電流的變化來判斷轉子位置。

1 檢測原理

定子線圈中通過的電流由小到增大時，定子鐵芯的磁通量將逐漸增大，如果定子與轉子磁通量方向一致，磁通量將不再隨著電流的增加而增加，鐵心進入飽和狀態，定子磁阻增大，線圈的電感隨飽和狀態變小，定子電流變小。反之，如果定子與轉子磁通量方向不一致，磁飽和現象減弱，電子磁阻變小，電感變大，定子電流變大。由于轉子產生磁場的作用，如果轉子旋轉，定子電感則會隨著轉子位置的改變而規律變化，轉子磁場和電子脈沖磁場對電子電感產生影響，進而產生不同的電流反饋。因為短時脈沖電壓和時間由單片機給定，屬于已知量，所以L與成反比。當給予定子短時脈沖后，不同的電流值對應不同的鐵芯電感值，如若電流值增大則電感值L變小，反之，若電流值減小則電感值L變大。零速轉子位置檢測就是以此為基礎的。

2 電子零速時轉子定位基本步驟

（1）依據電機參數和性能選擇合適的瞬時檢測脈沖，按照一定的次序施加到定子繞組上，將采樣電流值與位置電流值對比。假設電機為二二導通，順時針旋轉。先導通B向上半橋VT3和AC兩相下半橋VT4、VT2，對電機施加某一寬度的脈沖檢測電壓V1，產生合成感應電動勢記為F1，產生的采樣電流記為I1；再導通B相下半橋VT6和AC上半橋VT1、VT5，對電機施加某一寬度的脈沖檢測電壓V4產生的合成感應電動勢記為F2，產生的采樣電流記為I4。如果I1＞I4，則認為轉子N極位于磁動勢V1所在的半圓呢，由此確定轉子N極所在的180°電角度范圍，如圖1陰影部分所示。反之亦然。

圖 1 180°分解

（2）同理，對電機施加脈沖檢測電壓V2，V6，對應的采樣電流I2、I6，轉子位置比較接近采樣電流較大的電壓矢量，如果I1大于I2和I6，則轉子位置如圖2陰影部分所示。

（3）如果采樣電流I2大于I6，則可斷定轉子位置位于圖6陰影部分區域，若I2小于I6，則斷定轉子位置位于圖3部分陰影區域，反之如圖4陰影區域。

（4）這樣經過三步檢測可得3個位置代碼，如果定義順時針方向為電動機正方向，可以得到檢測位置與開關管導通次序。根據檢測到的轉子位置信息確定產生最大平均轉矩相序，施加寬加速脈沖，轉子加速。依次進行加速-檢測-加速-檢測，直到足夠建立反電動勢。

圖 2 60°分解

圖 3 30°分解

圖 4 30°分解

3 試驗結果及分析

試驗平臺：200W直流無刷無感電機，60MHz1GS/s數字示波器，200W12V無刷直流電機控制器，數字電路檢測模塊。磁極對數p=8，電機槽數為12，直流電壓12V，額定轉速3000r/min，每相繞組電阻1.9Ω，反電動勢常數2.2mV/rad.s-1，圖5為初始位置估算波形圖。

仿真結果表明，采用本文所提出的無傳感器方法，可以準確識別轉子位置，建立開關管導通次序。

4 結論

本文利用電機轉子的凸極性和電樞鐵芯的磁飽和性，提出了一種基于電壓脈沖注入的零速時轉子初始位置估算方法。這種方法是利用永磁體轉子在電壓信號情況下因為磁性強度不同產生的不同電流信號，判斷初始位置。通過試驗和分析可得，采用本文所使用的方法可以準確判定轉子位置，完成電機的起動，且不會引起振動和反轉現象，起動轉矩脈動有所減少。

圖5 轉子初始位置估算波形圖

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TM341

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2016-8-19